摘要：提出了一種穩(wěn)定性高、抗干擾能力強的小型發(fā)電機逆變電源的設計方案。采用瑞薩科技的工業(yè)級電機控制專用處理器H8／3687作為控制核心，產生頻率為12．5 kHz的高額SPWM脈寬調制信號，SPWM信號通過結合具有高頻抗干擾技術的驅動電路，將低壓的控制信號和高電壓信號隔離開，避免了高壓信號對控制信號的影響。最后有效地驅動了組成逆變橋的IGBT。實驗表明，這種小型發(fā)電機逆變電源能夠在較強的外界干擾下平穩(wěn)運行，可以實現220 V／50 Hz交流電的穩(wěn)定輸出，且輸出誤差保持在±3％的范圍內。
關鍵詞：發(fā)電機；脈寬調制；逆變；瑞薩單片機；H8／3687

    汽油發(fā)電機組是將發(fā)電機輸出的原始電壓通過電力電子技術的處理，然后再輸出給負載。開發(fā)出體積小運行穩(wěn)定可靠的發(fā)電機逆變電源，能節(jié)省能源并具有廣泛的市場前景。

1 瑞薩H8／3687單片機簡介
    瑞薩H8／3687單片機是一種高精度控制的工業(yè)級電機專用處理器，運行速度高、處理功能強大，具有豐富的片內外圍設備，便于接口和模塊化設計，被廣泛應用于數字馬達控制、電力轉換系統各種電源設備。該單片機具體性能指標如下：1)高性能靜態(tài)COMS技術，主頻可達20 MHz，超低功耗設計，抗干擾能力強；2)內置32 K×16 bit的ROM程序存儲器；3)動態(tài)PLL，主頻可由軟件編程修改；4)8通道10位A／D轉換器，雙采樣，保持最小轉換時間3．5μs；5)2個串行通信接口(SCI)、同步時鐘模式的I2C總線接口。

2 發(fā)電機逆變電源系統結構
    發(fā)電機逆變電源系統的整體框圖如圖1所示。汽油機的汽缸經過進氣、壓縮、膨脹和排氣4個過程，將熱能轉變成為機械能，然后經過曲軸連桿機構帶動交流發(fā)電機，輸出電壓為330～470 V，頻率為150～330 Hz的交流電；經過整流電路和大電容濾波電路進入單相全橋逆變電路。


    控制電路以瑞薩H8／3687單片機為核心，產生單相逆變電路工作所需要的SPWM信號，通過驅動電路，使得單相全橋逆變主電路輸出高頻脈寬調制型交流電。該交流電再經輸出濾波器處理最后得到穩(wěn)定、純凈的正弦波交流電。輸出母線電壓通過霍爾電流傳感器的采樣并將檢測量送到單片機的A／D轉換端口。
2．1 系統硬件電路設計
    發(fā)電機逆變電源的硬件主要由整流電路、濾波電路、單相逆變電路和控制電路組成。整流電路為三相橋式不可控整流電路；整流電路和逆變電路之間采用大電容構成加突波吸收器，有效濾除整流環(huán)節(jié)所產生的高次諧波，防止發(fā)電機和負載之間的相互干擾；經過單相全橋逆變電路和LC濾波電路，最后得到所需的單相220 V／50 Hz正弦波交流電輸出。該系統硬件電路設計的核心是逆變電路中IGBT驅動電路和保護電路的設計。
2．1．1 IGBT驅動電路設計
    IGBT的驅動電路必須具備2個功能：1)實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離；2)提供合適的柵極驅動脈沖。本設計采用2ED020I12-F作為IGBT驅動器，2ED020I12-F不僅體積小而且速度快，工作頻率最高可達60 kHz，開通和關斷延時分別為120 ns和94 ns：并采用高端懸浮自舉電源設計，單相橋式電路中，僅用一組電源即可，簡化設計和節(jié)省成本。2ED020I12-F用于半橋驅動電路如圖2所示。圖中 C1、VDb分別為自舉電容和二極管，C2為濾波電容。假定在VQ1關斷期間C1已經充電完成。當高端輸入為高電平時，VQ1導通，VQ2關斷，VCC加到VQ1的柵極和源極之間。隨著VQ1的導通，VQ1源極電壓接近直流母線的正端電壓，由于C1的電壓不能突變，C1上的電壓被抬高，維持VQ1柵極和源極的電位差，令VQ1維持導通。當高端輸入為低電平時，VQ1截止，VQ2導通，C1通過VQ2進行充電，迅速為VQ1補充能量，如此循環(huán)反復。


    VDb和C1是在設計驅動電路時需要嚴格挑選和設計的元器件，既不能太大影響窄脈沖的驅動性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅動要求。自舉二極管VDb應該選擇反向漏電流小的快恢復二極管，以減少電荷的損失。[!--empirenews.page--]
2．1．2 IGBT保護電路設計
    2ED020I12-F不能產生負偏壓，逆變電路中處于關斷狀態(tài)下的IGBT由于其反并聯二極管的恢復過程，將承受C-E電壓的急劇上升，這種現象稱為密勒效應。由于密勒效應，IGBT門極驅動電壓增加，甚至導致IGWT被導通，上下IGBT直通，橋臂短路。
    針對2ED020I12-F的不足，在上下橋臂的驅動電路中加上由電容和5 V穩(wěn)壓管并聯組成的負壓電路。工作原理為，電源電壓為18 V，電源通過電阻R7給電容C6充電，電容C6兩端電壓為+5 V。當InL輸入為高電平時，OUTL輸出為高電壓18 V，這時加在下橋臂VQ2柵極上的電壓為18 V-5 V=13 V，IGBT正常道通。當InL輸入為低電平時，OUTL輸出為O V，此時柵極上的電壓為-5 V，實現了關斷時產生負壓；同理適用于上橋臂。
    為使IGBT關斷時過電壓能得到有效抑制并減小關斷損耗，通常為IGBT主電路設置關斷緩沖吸收電路。本設計中采用RCD型關斷緩沖吸收電路，電容C7、 C8使IGBT關斷時電壓緩升，因此稱為緩壓電容，電阻R3、R4的作用是限制IGBT導通時電容C7、C8中儲能沿IGBT流過的電流。IG-BT關斷時，充電電流在電阻R3、R4上會產生壓降，二極管VD的作用是旁路電阻上的充電電流，克服過沖電壓。對緩沖吸收電路的要求是：1)盡量減小主電路的布線電感L；2)吸收電容應采用低感吸收電容，其引線應盡量短，最好直接接在IGBT的端子：3)吸收二極管應選用快開通和快速恢復二極管，以免產生開通過電壓和反向恢復引起較大的振蕩過電壓。
2．2 系統軟件設計及算法實現
2．2．1 PWM的基本原理
    如圖3所示，把半個周期正弦波波形分成n等分，可以把正弦波看成幅值不等的n個彼此相連寬度相等的脈沖所組成，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。把n個脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖替代，矩形脈沖和相應的正弦等分的面積(沖量)相等，這就是脈寬調制波形。根據沖量相等效果相同的原理，脈寬調制波形和正弦半波是等效的。在正弦脈寬調制波形中，各脈沖的幅值都是相等的，只要按同一比例系數改變各脈沖的寬度，就可以改變等效輸出正弦波的幅值。發(fā)電機逆變電源輸出正弦波交流電為Ursin(wt)，則電壓幅值為Ur。輸出脈沖幅值為Uo，在線計算出IGBT每個載波周期內的開通時間為：
   

2．2．2 系統軟件設計
    H8／3687主要用于控制和數據處理，并具備產生PWM調制信號的功能，通過驅動電路驅動IGBT，A／D接口采集電壓檢測和電流檢測的模擬信號，對關鍵功率器件的運行參數進行實時監(jiān)控。系統的程序流程如圖4所示。載波頻率取12．5 kHz，則載波周期T1=50μs，所以參考波在一個周期內的載波數為n=12．5 kHz／50Hz=250，可通過式(1)在線計算出IGBT一個載波內的開通時間。

[!--empirenews.page--]

3 實驗結果及分析
    建立了以IGBT為逆變器核心的實際實驗平臺，實驗電動機采用HT2700L，2．2 kW，IGBT開關頻率12．5 kHz，單片機不采用倍頻，基頻為20 MHz。這里用安捷倫示波器采集單片機輸出的SPWM信號波形和逆變電源輸出波形，如圖5和圖6所示。瑞薩H8／3687單片機產生的單極性SPWM脈沖信號穩(wěn)定無干擾；逆變電源輸出電壓波形的正弦度很高，波形好，這就說明輸出電壓的總諧波含量較低?；趩螛O性SPWM逆變控制方法有效，逆變電源的軟、硬件設計正確合理。



4 結論
    本設計采用了先進的瑞薩H8／3687工業(yè)控制單片機，增強了系統在惡劣條件下工作的穩(wěn)定性；采用了新型的驅動器2ED020I12-F，不僅提高了IGWT工作的可靠性，而且大大簡化了驅動電路設計，減小了產品體積，減輕產品重量，拓展了產品的應用領域。